數(shù)字電壓表的課程設(shè)計報告-2

桂林電子科技大學(xué)PAGEPAGE2課程設(shè)計論文題目：數(shù)字電壓表設(shè)計院系：信息與通信學(xué)院專業(yè)：通信工程姓名：曾中羽指導(dǎo)老師：陳明職稱：教授2010年12月20日摘要本設(shè)計為直流數(shù)字電壓表設(shè)計,設(shè)計初共參考了二種方案,由于設(shè)計的要求沒有使用單片機(jī),采用了一個核心器件是雙積分型MC14433轉(zhuǎn)換器,首先將輸入的模擬電壓信號變換成易于準(zhǔn)確測量的時間量，即模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,然后在這個時間寬度里用計數(shù)器計時，計數(shù)結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓信號的數(shù)字量。數(shù)字信號經(jīng)七段譯碼器CC4511譯碼后，驅(qū)動四只LED數(shù)碼管的各段陽極,用MC1413選通數(shù)碼管位選,選然后經(jīng)過動態(tài)掃描用四位的共陰數(shù)碼管顯示出結(jié)果。在設(shè)計的過程中用AltiumDesignerSummer08仿真軟件。關(guān)鍵詞：設(shè)計;模擬;數(shù)字;MC14433轉(zhuǎn)換器;CC4511譯碼;位選。Abstract Thedesignforthecurrentdigitalvoltagemeterdesign,designreferencetothebeginningofatotaloftwoprograms,thedesignrequirementsdonotuseSCM,theuseofacoredeviceisthedualslopeMC14433A/Dconverter,thefirstanaloginputvoltagesignalconvertedintoeasy-to-accuratelymeasuretheamountoftime,theanalogtodigitalconversion,thenthewidthatthistimeintimewithacounter,countingresultisproportionaltotheinputanalogvoltage.Seven-SegmentdecoderdigitalsignalbytheCC4511,afterdecoding,drivingfourparagraphsLEDdigitaltubeanode,withtheMC1413Choiceofdigitalstrobe,theelectionandthenafteradynamicscanwiththefour-digitcommoncathodeLEDdisplaystheresults.inthedesignprocessusingsimulationsoftware,AltiumDesignerSummer08.Keywords:Design;analog;digital;MC14433A/Dconverter;CC4511decoding;Choice.目錄引言 21設(shè)計參考 21.1參考方案一 21.2參考方案二 42設(shè)計任務(wù) 53設(shè)計方案 63.1芯片的介紹 63.1.1MC14433芯片的介紹 63.1.2MC1413芯片的介紹 83.1.3CC4511芯片的介紹 83.2電路設(shè)計 83.2.1電路分析 83.2.2電路圖設(shè)計 94設(shè)計總結(jié) 104.1電路調(diào)試分析 104.2報告總結(jié) 105元器件清單 116結(jié)論 126.1謝辭 126.2參考文獻(xiàn) 12引言智能儀器是儀器儀表的一種，近年來計算機(jī)技術(shù)及微電子器件在工程技術(shù)中應(yīng)用十分廣泛，在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的智能儀表無論是在測量的準(zhǔn)確性、靈敏度、可靠性、自動化程度、運(yùn)用功能方面還是在解決測量技術(shù)與控制技術(shù)問題的深度及廣度方面都有了很大的發(fā)展，以一種嶄新的面貌展示在人們的面前。數(shù)字電壓表是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來，并被廣泛的應(yīng)用。數(shù)字電壓表（DigitalVoltmeter）簡稱DVM，它是智能儀器中最常見的，是采用數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量（直流輸入電壓）轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表。目前，由各種單片A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字電壓表，已被廣泛用于電子及電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等領(lǐng)域，顯示出強(qiáng)大的生命力。與此同時，由DVM擴(kuò)展而成的各種通用及專用數(shù)字儀器儀表，也把電量及非電量測量技術(shù)提高到嶄新水平數(shù)字電壓表的特點(diǎn)：顯示清晰直觀，讀數(shù)準(zhǔn)確；傳統(tǒng)的模擬式儀表必須借助于指針和刻度盤進(jìn)行讀數(shù)，在讀數(shù)過程中不可避免地會引入人為的測量誤差（例如視差），并且容易造成視覺疲勞。數(shù)字電壓表則采用先進(jìn)的數(shù)顯技術(shù)，使測量結(jié)果一目了然，只要儀表不發(fā)生跳數(shù)現(xiàn)象，測量結(jié)果就是惟一的，不僅保證讀數(shù)的客觀性與準(zhǔn)確性，還符合人們的讀數(shù)習(xí)慣，能縮短讀數(shù)和記錄的時間。1設(shè)計參考1.1參考方案一:CC7107A/D轉(zhuǎn)換器組成的位直流數(shù)字電壓表CC7107型AD轉(zhuǎn)換器是把模擬電路與數(shù)字電路集成在一塊芯片上的大規(guī)模的CMOS集成電路，它具有功耗低、輸入阻抗高、噪聲低，能直接驅(qū)動共陽極LED顯示器，不需另加驅(qū)動器件，使轉(zhuǎn)換電路簡化等特點(diǎn)。附圖1是它的引腳排列及功能，各引出端功能見附表端名功能V+和V-電源的正極和負(fù)極aU～gUaT～gTaH～gH個位、十位、百位筆畫的驅(qū)動信號，依次接至個位、十位、百位數(shù)碼管的相應(yīng)筆畫電極abk千位筆畫驅(qū)動信號，接千位數(shù)碼管的a、b兩個筆畫電極PM負(fù)極性指示的輸出端，接千位數(shù)碼管的g段。PM為低電位時顯示負(fù)號INT積分器輸出端，接積分電容BUF緩沖放大器的輸出端，接積分電阻AZ積分器和比較器的反相輸入端，接自動調(diào)零電容IN+、IN-模擬量輸入端，分別接輸入信號的正端與負(fù)端COM模擬信號公共端，即模擬地CREF外接基準(zhǔn)電容端VREF+、VREF-基準(zhǔn)電壓的正端和基準(zhǔn)電壓的負(fù)端TEST測試端。該端經(jīng)500Ω電阻接至邏輯線路的公共地。當(dāng)作“測試指示”時，把它與V+短接后，LED全部筆畫點(diǎn)亮，顯示數(shù)1888OSC1～OSC2時鐘振蕩器的引出端，外接阻容元件組成多諧振蕩器由CC7107組成的位直流數(shù)字電壓表接線圖上圖所示。外圍元件的作用是：R1、C1為時鐘振蕩器的RC網(wǎng)絡(luò)。R2、R3是基準(zhǔn)電壓的分壓電路。R2使基準(zhǔn)電壓VREF＝1VR4、C3為輸入端阻容濾波電路，以提高電壓表的抗干攏能力，并能增強(qiáng)它的過載能力。C2、C4分別是基準(zhǔn)電容和自動調(diào)零電容。R5、C5分別是積分電阻和積分電容。CC7107的第21腳（GND）為邏輯地，第37腳（TEST）經(jīng)過芯片內(nèi)部的500Ω電阻與GND接通。芯片本身功耗小于15mW（不包括LED），能直接驅(qū)動共陽極的LED顯示器，不需要另加驅(qū)動器件，在正常亮度下每個數(shù)碼管的全亮筆畫電流大約為40～50mA。CC7107沒有專門的小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動信號，使用時可將共陽極數(shù)碼管的公共陽極接V+，小數(shù)點(diǎn)接GND時點(diǎn)亮，接V+時熄滅。1.2參考方案二:單片機(jī)與MC14433組成的位直流數(shù)字電壓表1.2.1實(shí)驗(yàn)說明MC14433是3位半雙積分A/D轉(zhuǎn)換器?？垢蓴_性強(qiáng)；輸入電阻≥1000MΩ；轉(zhuǎn)換精度高；自動校零；自動極性輸出；自動量程控制信號輸出；動態(tài)字位掃描BCD碼輸出；單基準(zhǔn)電壓；轉(zhuǎn)換率為1～10次/秒。該芯片主要外接元件有時鐘振蕩電路的外接電阻、補(bǔ)償電容、以及積分阻容元件。模擬電路部分有基準(zhǔn)電壓、模擬電壓輸入。被轉(zhuǎn)換的模擬電壓輸入量程為199.9mV或1.999V兩種，與之相對應(yīng)的基準(zhǔn)電壓相應(yīng)為+200mV或+2V兩種。數(shù)字電路部分有邏輯控制、BCD碼及輸出鎖存、多路開關(guān)、時鐘、極性判斷及溢出檢測等電路。1.2.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)步驟本實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的功能是將輸入的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式顯示。模擬量為0～±2V時，對應(yīng)的數(shù)字量為0～±1999，由串行靜態(tài)顯示。過量程引腳OR可與蜂鳴器及發(fā)光二極管電路連接，當(dāng)模擬量絕對超過2V時，有聲光報警。(1)使用MC14433接口電路模塊，單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)1的P0口接MC14433接口電路的Q0～DS4口，INT1接DU/EOC，單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)1的P1.0、P1.1連接到串行靜態(tài)顯示模塊的DIN、CLK。模擬信號輸入接+5V電源和地。(2)用串行數(shù)據(jù)通信線連接計算機(jī)與仿真器，把仿真器插到模塊的鎖緊插座中，請注意仿真器的方向：缺口朝上。(3)打開KeiluVision2仿真軟件，首先建立本實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目文件，接著添加MC14433.ASM源程序，進(jìn)行編譯，直到編譯無誤。(4)進(jìn)行軟件設(shè)置，選擇硬件仿真，選擇串行口，設(shè)置波特率為38400。(5)打開模塊電源和總電源，點(diǎn)擊開始調(diào)試按鈕，點(diǎn)擊RUN按鈕運(yùn)行程序。觀察靜態(tài)顯示模塊，顯示“XXXX”，“XXXX”為不大于1999的十進(jìn)制數(shù)。調(diào)節(jié)模擬信號.2設(shè)計任務(wù)2.1設(shè)計內(nèi)容及要求2.1.1設(shè)計數(shù)字電壓表電路。2.1.2測量范圍：直流電壓0V一1.999V，0V一19.99V。2.1.3組裝調(diào)試位數(shù)字電壓表。2.1.4畫出數(shù)字電壓表電路圖，器件電路模塊MCl4433，MCl413，CD451l和MCl403。3設(shè)計方案3.1芯片的介紹3.1.1MC14433芯片常用于數(shù)顯儀表，是一種采用雙積分形式的A/D轉(zhuǎn)換器，適用于低速A/D轉(zhuǎn)換(1～10次/s)，具有良好的工頻干擾抑制能力和相當(dāng)于11位二進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換精度。此外，MC14433芯片還具備了諸如自動校零、自動極性辨別、自動量程控制、動態(tài)字位掃描及BCD碼形式輸出等測量儀表所必備的功能。CC14433是CMOS雙積分式位A/D轉(zhuǎn)換器，它是將構(gòu)成數(shù)字和模擬電路的約7700多個MOS晶體管集成在一個硅芯片上，芯片有24只引腳，采用雙列直插式，其引腳排列與功能如圖所示。CC14433引腳排列引腳功能說明：VAG（1腳）：被測電壓VX和基準(zhǔn)電壓VR的參考地VR（2腳）：外接基準(zhǔn)電壓（2V或200mV）輸入端VX（3腳）：被測電壓輸入端R1（4腳）、R1／C1（5腳）、C1（6腳）：外接積分阻容元件端C1＝0.1μf（聚酯薄膜電容器），R1＝470KΩ（2V量程）；R1＝27KΩ（200mV量程）。C01（7腳）、C02（8腳）：外接失調(diào)補(bǔ)償電容端，典型值0.1μf。DU（9腳）：每次轉(zhuǎn)換均顯示。CP1（10腳）、CPo（11腳）：時鐘振蕩外接電阻端，典型值為470KΩ。VEE（12腳）：電路的電源最負(fù)端，接－5V。VSS（13腳）：除CP外所有輸入端的低電平基準(zhǔn)（通常與1腳連接）。EOC（14腳）：轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標(biāo)記輸出端，每一次轉(zhuǎn)換周期結(jié)束,EOC輸出一個正脈沖，寬度為時鐘周期的二分之一。（15腳）：過量程標(biāo)志輸出端，當(dāng)VX＞VR時，輸出為低電平。DS4～DS1（16～19腳）：多路選通脈沖輸入端，DS1對應(yīng)于千位，DS2對應(yīng)于百位，DS3對應(yīng)于十位，DS4對應(yīng)于個位。MC14433的轉(zhuǎn)換輸出時序:Q0～Q3（20～23腳）：BCD碼數(shù)據(jù)輸出端，DS2、DS3、DS4選通脈沖期間，輸出三位完整的十進(jìn)制數(shù)，在DS1選通脈沖期間，輸出千位0或1及過量程、欠量程和被測電壓極性標(biāo)志信號。DS1選通時Q0～Q3表示的輸出結(jié)果:DS１＝１時，Q3Q2Q1Q0輸出過量程、欠量程、千位和極性標(biāo)志的編碼如表9-7所列。由表9-7可知，Q3在Q0=0時，表示千位數(shù)的內(nèi)容：Q3=0，千位為1；Q3=1，千位為0。Q3在Q0=1時，表示過、欠量程：Q3=0，表示過量程；Q3=1表示欠量程。當(dāng)量程選為1.999V時，過量程表示被測信號大于1.999V；欠量程表示被測信號小于0.179V。Q2表示被測信號的極性：Q2=1，為正極性；Q2=0，為負(fù)極性。CC14433具有自動調(diào)零，自動極性轉(zhuǎn)換等功能?？蓽y量正或負(fù)的電壓值。當(dāng)CP1、CP0端接入470KΩ電阻時，時鐘頻率≈66KHz，每秒鐘可進(jìn)行4次AD轉(zhuǎn)換。它的使用調(diào)試簡便，能與微處理機(jī)或其它數(shù)字系統(tǒng)兼容，廣泛用于數(shù)字面板表，數(shù)字萬用表，數(shù)字溫度計，數(shù)字量具及遙測、遙控系統(tǒng)。3.1.2A/D轉(zhuǎn)換需要外接標(biāo)準(zhǔn)電壓源作參考電壓。標(biāo)準(zhǔn)電壓源的精度應(yīng)當(dāng)高于A/D轉(zhuǎn)換器的精度。本實(shí)驗(yàn)采用MC1403集成精密穩(wěn)壓源作參考電壓，MC1403的輸出電壓為2.5V，當(dāng)輸入電壓在4.5～15V范圍內(nèi)變化時，輸出電壓的變化不超過3mV，一般只有0.6mV左右，輸出最大電流為10mA。3.1.3七路達(dá)林頓晶體管列陣MC1413MC1413采用NPN達(dá)林頓復(fù)合晶體管的結(jié)構(gòu)，因此有很高的電流增益和很高的輸入阻抗，可直接接受MOS或CMOS集成電路的輸出信號，并把電壓信號轉(zhuǎn)換成足夠大的電流信號驅(qū)動各種負(fù)載。該電路內(nèi)含有7個集電極開路反相器（也稱OC門）。MC1413電路結(jié)構(gòu)和引腳排列如圖18－5所示，它采用16引腳的雙列直插式封裝。每一驅(qū)動器輸出端均接有一釋放電感負(fù)載能量的抑制二極管。MC1403引腳排列MC1413引腳排列電路設(shè)計3.1電路分析3.1.1被測直流電壓VX經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后以動態(tài)掃描形式輸出，數(shù)字量輸出端Q0Q1Q2Q3上的數(shù)字信號(8421碼)按照時間先后順序輸出。位選信號DS1，DS2，DS3，DS4通過位選開關(guān)MC1413分別控制著千位、百位、十位和個位上的四只LED數(shù)碼管的位選。數(shù)字信號經(jīng)七段譯碼器CC4511譯碼后，驅(qū)動四只LED數(shù)碼管的各段陽極。這樣就把A/D轉(zhuǎn)換器按時間順序輸出的數(shù)據(jù)以掃描形式在四只數(shù)碼管上依次顯示出來，由于選通重復(fù)頻率較高，工作時從高位到低位以每位每次約300μS的速率循環(huán)顯示。即一個4位數(shù)的顯示周期是1.2ms，所以人的肉眼就能清晰地看到四位數(shù)碼管同時顯示三位半十進(jìn)制數(shù)字量。3.1.2當(dāng)參考電壓VR＝2V時，滿量程顯示1.999V；VR＝200mV時，滿量程為199.9mV?？梢酝ㄟ^選擇開關(guān)來控制千位和十位數(shù)碼管的h筆經(jīng)限流電阻實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)的小數(shù)點(diǎn)顯示的控制。3.1.3最高位（千位）顯示時只有b、c二根線與LED數(shù)碼管的b、c腳相接，所以千位只顯示1或不顯示，用千位的g筆段來顯示模擬量的負(fù)值（正值不顯示），即由CC14433的Q2端通過NPN晶體管9013來控制g段。3.1.4過量程標(biāo)志輸出端接發(fā)光二極管和有源蜂鳴器負(fù)極,另一端接5V的電壓.當(dāng)正常工作時為高電平,二極管和有源蜂鳴器不會發(fā)光和鳴叫,當(dāng)VX＞VR即輸入測量電壓大于基準(zhǔn)電壓時,二極管和有源蜂鳴器會發(fā)光和鳴叫,實(shí)現(xiàn)了聲光報警。3.2電路設(shè)計3.2.1數(shù)字電壓表的原理圖:3.2.2數(shù)字電壓表的PCB圖:4設(shè)計總結(jié)4.1電路調(diào)試分析4.1.1插上MC1403基準(zhǔn)電源，用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表檢查輸出是否為2.5V，然后調(diào)整10KΩ電位器，使其輸出電壓為2.00V，調(diào)整結(jié)束后去掉電源線，供總裝時備用。4.1.2將DS4，Q0～Q34.1.3用電阻、電位器構(gòu)成一個簡單的輸入電壓VX調(diào)節(jié)電路，調(diào)節(jié)電位器，4位數(shù)碼將相應(yīng)變化，然后進(jìn)入下一步精調(diào)。4.1.4用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表（或用數(shù)字萬用表代）測量輸入電壓，調(diào)節(jié)電位器，使VX＝1.000V，這時被調(diào)電路的電壓指示值不一定顯示“1.000”，應(yīng)調(diào)整基準(zhǔn)電壓源，使指示值與標(biāo)準(zhǔn)電壓表誤差個位數(shù)在5之內(nèi)。4.1.5改變輸入電壓VX極性，使Vi＝－1.000V，檢查“－”是否顯示，并按4方法校準(zhǔn)顯示值。4.1.6在+1.999V～0～－1.999V量程內(nèi)再一次仔細(xì)調(diào)整（調(diào)基準(zhǔn)電源電壓）使全部量程內(nèi)的誤差均不超過個位數(shù)在5之內(nèi)。至此一個測量范圍在±1.999的三位半數(shù)字直流電壓表調(diào)試成功。0V一19.99V，0V一199.9V，0V～1999V,大量程的測量可以通過分壓電阻比例來測量.4.2報告總結(jié)此次設(shè)計直流數(shù)字電壓表的核心器件是一個雙積分型MC14433轉(zhuǎn)換器，它首先將輸入的模擬電壓信號變換成易于準(zhǔn)確測量的時間量，然后在這個時間寬度里用計數(shù)器計時，計數(shù)結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓信號的數(shù)字量。然后經(jīng)過動態(tài)掃描用四位的共陰數(shù)碼管顯示出結(jié)果.通過這次的課程設(shè)計讓我了解了很多芯片工作原理如:A\D轉(zhuǎn)換器MC14433,七段譯碼器CD4511,七路達(dá)林頓晶體管MC1413等.對整體的電路設(shè)計有了全局的概念,以及對理論與實(shí)際運(yùn)用之間的差別有了更深的理解.雖然剛做出電路板有諸多問題,如虛焊,錯焊,元件布局的不合理,通過不斷的修改,和調(diào)試,這對我的耐力和定力得到了很大的鍛煉,最終還是成功的完成了此次數(shù)字電壓表的設(shè)計.這個課設(shè)將近花了一個月的時間,從資料的搜集,自己的構(gòu)思和